4.5 Развернутая структура процессора и его функционирование

4.5.1 Обобщенная структура процессора с микропрограммным управлением

В состав процессора (см. рисунок 4.5.1) входят блоки АЛУ, РОН, УУ, интерфейсы памяти и УВВ. Данные из памяти и ПУ последовательно передаются через двунаправленную магистраль данных, БРД и внутреннюю магистраль данных на входы АЛУ или РОН. Команды поступают в РК по той же магистрали.

Выполнение некоторой программы начинается с загрузки СчК начальным адресом. Содержимое СчК передается в буферный регистр адреса (БРА) для адресации памяти. Команда, считанная из памяти по входной магистрали, через БРД поступает в РК. КОП команды используется для выборки микропрограммы из ПЗУ и формирования сигналов, управляющих ходом выполнения команды.

Адресная часть команды передается в БРА для выборки операндов. Операнды заносятся в аккумулятор А или один из регистров РОН.

Результаты выполнения команд с выхода сумматора () поступают в магистраль данных, с которой они могут быть пересланы в ОП или любой регистр (А или РОН).

После завершения процесса исполнения текущей команды, содержимое СчК модифицируется и производится выборка следующей команды.

В качестве внешних управляющих сигналов используются выходные сигналы чтения (Чт) и записи (Зп) для управления памятью (формируются при выполнении команд обращения к памяти), сигналы ввода (Вв) и вывода (Выв) (формируются при выполнении команд обращения к УВВ); входной сигнал запрос прерывания ЗПр, обеспечивающий прерывание выполнения основной программы и переход к выполнению подпрограммы, соответствующей внешнему запросу. Часто в процессорах формируют сигналы внутренних прерываний (например, при попытке деления на нуль или при недопустимых переполнениях).

Указатель стека УС предназначен для адресации стековой памяти, которая чаще всего реализуется в некоторой области оперативной памяти. Эта область определяется либо операционной системой, либо программистом путем загрузки начального адреса области стека в УС.

4.5.2 Рабочий цикл процессора

Функционирование процессора состоит из повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует выполнению одной команды. Завершив рабочий цикл процессор переходит к выполнению следующего рабочего цикла.

Предположим, что процессор может выполнять четыре типа команд:

- основные (арифметические, логические, пересылочные операции);

- передачи управления;

- ввода-вывода;

- системные (установка маски прерываний, состояния процессора и др.).

Рассмотрим рабочий цикл, выполняемый покомандно (существуют и рабочие циклы, выполняемые по машинным циклам).

Рабочий цикл начинается (см. рисунок 4.5.2) с определения состояния процессора - счет или ожидание . Из состояния ожидания процессор может выйти только по сигналу ЗПр (или “Запрос захвата шины” для некоторых процессоров). Процессор в этом состоянии никаких действий не выполняет.

В состоянии “Счет” (счет- последовательная выборка и выполнение команд), если поступил запрос прерывания, процессор сбрасывает триггер прерывания ТгПр и переходит к выполнения подпрограммы обработки прерывания путем передачи адреса подпрограммы в СчК. Если сигнал ЗПр отсутствует, последовательно выполняются следующие этапы рабочего цикла выполнения основной команды: формирование исполнительных адресов операндов, выборка операндов, выполнение операций и запоминание результата. После этого процессор переходит к выборке следующей команды и цикл повторяется.

При выполнении большинства команд формируются признаки операций, которые используются в командах условного перехода.

При выполнении команд передачи управления проверяется условие перехода по вышеуказанным признакам для команд условных переходов. Если условие не выполняется, то выбирается следующая по порядку команда по подвинутому адресу, хранящемуся в СчК. Если условие выполняется, то в СчК заносится адрес перехода.

Рисунок 4.5.2- Рабочий цикл процессора

Команда вызова подпрограмм и переход к подпрограмме выполняется так же, как и команда перехода, но при этом дополнительно запоминается состояние процессора.

Системные команды производят переключение состояния процессора (программы).

Команды ввода-вывода инициируют обращение процессора к УВВ (ПУ).

4.5.3 Понятие о слове состояния процессора

В ходе функционирования процессора постоянно меняется состояние его внутренних регистров. Если поступит запрос на прерывание выполнения основной программы или команда перехода к подпрограмме, которые приводят к изменению порядка выполнения программы, то для корректного возврата из подпрограммы в основную программу необходимо запомнить состояние процессора.

Содержимое регистров, обеспечивающих восстановление состояния вычислительного процесса, составляет слово состояния программы или процессора ССП (PSW- Program status word).

Чаще всего в информацию о состоянии процессора включают содержимое счетчика команд, содержимое регистра признаков и аккумулятора.

Рисунок 4.5.3 – Структура ССП

Слово состояния обычно сохраняют в специально отведенной области памяти ЭВМ или стековой памяти. Сохранение производится автоматически (т.е. аппаратно) в начале обслуживания запроса на прерывание программы. Другие регистры процессора могут быть сохранены и восстановлены программным путем.